CN112187184A - 一种可配置的高效功率放大器 - Google Patents

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沈策
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Abstract

本发明公开了一种可配置的高效功率放大器，涉及微波功率放大器技术领域。本发明通过在微波功率放大器电路中引入频率自适应控制网络，一方面通过增大漏极和栅极之间阻抗减少晶体管内部功率损耗，提高功率放大器的效率；另一方面根据功率源输入频率的变化控制反馈谐振网络的谐振频率，得到匹配的谐振网络阻抗，从而保证频率在一定变化范围内，微波功率放大器可以自适应保持较高的输出功率和效率。

Description

一种可配置的高效功率放大器
技术领域
本发明涉及微波功率放大器技术领域，具体为一种频率自适应的高效功率放大器。
背景技术
功率放大器是微波无线通信***中重要的组成部件，用来将输入的微波信号放大后经天线等辐射输出，其效率将直接影响微波无线通信***的性能。功率附加效率(PAE，Power Added Efficiency)表达式为PAE＝(Pout-Pin)/PDC，即功率放大器的输出功率Pout减去输入功率Pin后与直流消耗功率PDC的比值,是衡量功率放大器性能的重要指标之一，可以同时表征功率放大器将直流功率转换成微波功率以及放大微波信号功率的能力。目前，提高微波功率放大器效率的技术有谐波控制技术、平均功率跟踪(APT，Average PowerTacking)、包络跟踪(ET，Envelope Tracking)、包络分离和恢复技术(EER，EnvelopeElimination and Restoration)、异相调制和Doherty技术等。上述技术均是从电路层面改善功率放大器性能，提高效率。实际上，减少晶体管内漏极-栅极反馈支路的功率泄露，使得更多的功率流向负载，则能有效的提高功率放大器的功率附加效率。此外，基于负载牵引技术得到最佳基波和谐波阻抗再利用宽带匹配网络实现的宽带高效功率放大器是较为直接和普遍的一种设计方法，但是随着带宽的增加，很难保证在整个宽带范围内都保持较高的效率。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种提高微波功率放大器功率附加效率及输出功率的方法并且可以通过电路自动调节参数，自适应频率变化，在一定的工作带宽内保持较高的功率放大器效率，以及实现这种方法所采用的微波功率放大器电路，通过在栅极-漏极之间引入反馈谐振网络提高反馈支路的阻抗，提高微波功率放大器的功率附加效率及输出功率，同时根据控制网络的输出电压对反馈谐振网络进行控制，自动调谐电路器件参数以匹配变化的输入频率，实现频率自适应的高效功率放大器。
本发明采取的技术方案是，一种可配置的高效功率放大器，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络，所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接Vgg电压；所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接Vdd电压；其特征在于，所述功率放大器还包括：耦合器、频率监测及电压控制网络、谐振网络；所述耦合器设置于功率源与输入匹配网络之间，耦合器将功率源输出的待放大信号分为两路，一路输出给输入匹配网络，另一路输出给频率监测及电压控制网络；所述频率监测及电压控制网络包括串联的：频率变化计数器和频率变化映射控件，所述频率变化计数器检测由耦合器输入信号的频率变化，所述频率变化映射控件将频率变化计数器检测到的频率变化映射成电压进行输出，采用该输出电压来控制反馈谐振网络；所述谐振网络包括串联的：压控可变电容C1和电感L1，压控可变电容C1的输出端连接晶体管的栅极，电感L1的输出端连接晶体管的漏极；所述频率监测及电压控制网络输出端连接压控可变电容C1，压控可变电容C1的电容值受频率监测及电压控制网络的输出电压控制。
进一步的，所述功率放大器的设计方法，该方法包括：
步骤1：根据压控可变电容C1的电容值与整流二极管D1输出电压的关系式，计算不同频率和不同整流二极管D1输出电压下对应的电容容值；
根据电容电感串联谐振频率公式：
Figure BDA0002725921870000021
其中L和C分别代表电感L1的电感值及压控可变电容C1的电容值，计算谐振网络电感值，得到谐振网络；
步骤2：在ADS仿真软件中使用负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；
步骤3：将频率监测及电压控制网络和谐振网络引入后进行整体性能优化，得到最终的功率放大器。
本发明在微波功率放大器晶体管的栅极和漏极端口之间引入高阻谐振网络，使得晶体管内部栅极和漏极反馈通道的功率泄露减少，从而极大地提高了微波功率放大器的输出功率、漏极效率以及功率附加效率，并且通过增加频率监测及电压控制网络，根据输入频率变化引起的控制网络的输出电压改变，完成对反馈谐振网络的调控，自动调谐电路器件参数以匹配变化的输入频率，保证输入频率改变的情况下仍然可以保证较高的功率放大器效率。
附图说明
图1为本发明具体实例的电路组成示意图。
图2为本发明具体实例的漏极效率仿真结果。
图3为本发明具体实例的功率附加效率仿真结果。
图4为本发明具体实例的输出功率仿真结果。
具体实施方式
在微波功率放大器中引入频率自适应控制网络，频率自适应控制网络由耦合器、频率监测及电压控制网络、谐振网络构成，其中：耦合器位于功率源输出端口，用于将输入功率一部分耦合至频率监测网络，用于频率自适应控制，另一部分耦合至输入匹配网络，用于微波功率放大；所述频率监测及电压控制网络包含一个监测输入频率变化计数器和一个将频率变化映射为电压的控件，计数器和此控件串联，计数器一端接耦合器2端口，频率监测及电压控制网络输出口接谐振网络，用于对输入微波频率进行监测，获得控制反馈网络的电压参数；所述谐振网络包括串联的一个压控可变电容C1和一个电感L1，其中可变电容C1一端接晶体管栅极端口，电感L1一端接晶体管漏极端口，可变电容C1的电容值受频率监测及电压控制网络输出电压控制，用于减少晶体管内部功率损耗，提高功率放大器的效率；所述的频率自适应是通过频率监测及电压控制网络的输出参数控制谐振网络中的可变电容参数，从而改变谐振网络的阻抗，自适应在不同输入频率，且保证在不同输入频率下保持较高的效率。
上述频率自适应的高效功率放大器的设计方法，其方法包括如下步骤：
(1)根据压控电容的电容值与控制电压的关系式，计算不同频率监测及电压控制网络输出电压下对应的电容容值；
Figure BDA0002725921870000031
根据电容电感串联谐振频率公式：
Figure BDA0002725921870000032
其中L和C分别代表电感值及电容值，计算谐振网络电感值，得到谐振网络；
(2)在ADS仿真软件中使用负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；
(3)将频率监测及电压控制网络和谐振网络引入后进行整体性能优化，得到最终的自适应高效功率放大器电路；
一种频率自适应的高效功率放大器，电路如图1所示，包括有：耦合器频率监测及电压控制网络，压控可变电容C1，电感L1，晶体管，输入匹配网络，输出匹配网络，栅极偏置网络，漏极偏置网络，50Ω负载电阻。
频率监测及电压控制网络，包含计数器和一个电压控制控件串联，计数器一端接耦合器2端口，另一端与电压控制控件串联，电压控制控件的另一端为频率监测及电压控制网络输出口，接谐振网络。
谐振网络，其特征在于包含一个可变电容C1和一个电感L1串联，其中可变电容C1一端接晶体管栅极端口，电感L1一端接晶体管漏极端口，可变电容C1的电容值受频率监测及电压控制网络输出电压控制。
输入、输出匹配网络，分别为不同宽度的微带传输线，用以匹配晶体管的最优工作状态；
栅极、漏极偏置网络，用以给晶体管提供偏置工作电压；
最后为50Ω负载电阻接地。
图2说明此功率放大器在5.77GHz-5.83GHz带宽内漏极效率高于81％，在5.8GHz频点处最优的漏极效率为84％；图3说明此功率放大器功率附加效率优于71％，在5.8GHz频点处功率附加效率为73.2％；图4说明此功率放大器输出功率大于11.9W，在5.8GHz频点处输出功率为12.4W。
综上所述，本发明在微波功率放大器晶体管的栅极和漏极端口之间引入高阻谐振网络，使得晶体管内部栅极和漏极反馈通道的功率泄露减少，从而极大地提高了微波功率放大器的输出功率、漏极效率以及功率附加效率，并且通过增加频率监测及电压控制网络，根据输入频率变化引起的控制网络的输出电压改变，完成对反馈谐振网络的调控，自动调谐电路器件参数以匹配变化的输入频率，保证输入频率改变的情况下仍然可以保证较高的功率放大器效率。

Claims (2)

1.一种可配置的高效功率放大器，该放大器包括：输入匹配网络、栅极偏置网络、晶体管、输出匹配网络、漏极偏置网络，功率源的输出的待放大信号依次经过：输入匹配网络、晶体管、输出匹配网络，所述输入匹配网络的输出端连接晶体管的栅极；所述栅极偏置网络给晶体管栅极提供合适的偏置电压，一端连接输入匹配网络，另一端连接Vgg电压；所述晶体管的源极接地，晶体管的漏极连接输出匹配网络的输入端，输出匹配网络输出端连接外部负载；所述漏极偏置网络给晶体管的漏极提供合适的偏置电压，一端连接输出匹配网络，另一端连接Vdd电压；其特征在于，所述功率放大器还包括：耦合器、频率监测及电压控制网络、谐振网络；所述耦合器设置于功率源与输入匹配网络之间，耦合器将功率源输出的待放大信号分为两路，一路输出给输入匹配网络，另一路输出给频率监测及电压控制网络；所述频率监测及电压控制网络包括串联的：频率变化计数器和频率变化映射控件，所述频率变化计数器检测由耦合器输入信号的频率变化，所述频率变化映射控件将频率变化计数器检测到的频率变化映射成电压进行输出，采用该输出电压来控制反馈谐振网络；所述谐振网络包括串联的：压控可变电容C1和电感L1，压控可变电容C1的输出端连接晶体管的栅极，电感L1的输出端连接晶体管的漏极；所述频率监测及电压控制网络输出端连接压控可变电容C1，压控可变电容C1的电容值受频率监测及电压控制网络的输出电压控制。
2.一种用于如权利要求1所述的功率放大器的设计方法，该方法包括：
步骤1：根据压控可变电容C1的电容值与整流二极管D1输出电压的关系式，计算不同频率和不同整流二极管D1输出电压下对应的电容容值；
根据电容电感串联谐振频率公式：
Figure FDA0002725921860000011
其中L和C分别代表电感L1的电感值及压控可变电容C1的电容值，计算谐振网络电感值，得到谐振网络；
步骤2：在ADS仿真软件中使用负载牵引，根据中心工作频点仿真得到输入匹配网络和输入匹配网络；
步骤3：将频率监测及电压控制网络和谐振网络引入后进行整体性能优化，得到最终的功率放大器。
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